搅拌设备在工业生产中的应用范围很广,尤其是化学工业中,很多化工生产都或多或少地应用着搅拌操作。化学工艺过程的种种化学变化,是以参加反应物质的充分混合为前提的,对于加热、冷却和液体萃取以及气体吸收等物理变化过程,也往往要采用搅拌操作才能得到好的效果。搅拌设备在许多场合是作为反应器来应用的。例如在三大合成材料的生产中,搅拌设备作为反应器,约占反应器总数的90%.其它如染料、医药、农药、油漆等行业,搅拌设备的使用亦很广泛。有色冶金部门对全国有色冶金行业中的搅拌设备作了调查及功率测试,结果是许多湿法车间的动力消耗50%以上是用在搅拌作业上。搅拌设备的应用范围之所以这样广泛,还因搅拌设备操作条件(如浓度、温度、停留时间等)的可控范围较广,又能适应多样化的生产。
搅拌设备的作用不外乎:①使物料混合均匀。②使气体在液相中很好地分散。③使固体粒子(如催化剂)在液相中均匀地悬浮。④使不相溶的另一液相均匀的悬浮或充分乳化。⑤强化相间的传质(如吸收等)。⑥强化传热。对于均匀相反应,主要是①、⑥两点。混合的快慢,均匀程度和传热情况好坏,都会影响反应结果。至于非均相系统,则还影响相界面的大小和相间的传质速度,情况就更复杂,所以搅拌情况的改变,常很敏感地影响到产品的质量和数量。生产的这种例子几乎俯拾皆是。在溶液聚合和本体聚合的液相聚合反应装置中,搅拌的主要作用是:促进釜内物料流动,使反应器内物料均匀分布,增大传质和传热系数。在聚合反应过程中,往往随着转化率的增加,聚合液的粘度也增加。如果搅拌情况不好,就会造成传热系数下降或局部过热,物料和催化剂分散不均匀,影响聚合产品的质量,也容易导致聚合物粘壁,使聚合反应操作不能很好地进行下去。
在互不相溶的液体之间或液体和固体相互作用时,搅拌在加速反应的进行方面起着非常重要的作用。因为增加一物相混入另一物相的速度,接触面就会增大,物质就以较大速度相互作用。在某些情况下,搅拌是在反应过程中创造良好条件的一个重要因素。例如,使传热作用加强,减少局部过热,以及避免加热过程中物质焦化等。如高压聚乙烯生产中,由于搅拌器的作用,使反应器内有一定的停留时间,更重要的是使催化剂在器内分布均匀,以防止局部猛烈的聚合作用造成爆炸。因此搅拌设备在工业生产中起着非常重要的作用。
搅拌设备在石油化工生产中被用于物料混合、溶解、传热、制备悬浮液、聚合反应、制备催化剂等。例如石油工业中,异种原石油的混合调整和精制,汽油中添加四乙基铅等填加物而进行混合,使原料液或产品均匀化。化工生产中,制造苯乙烯、乙烯、高压聚乙烯、聚丙烯、合成橡胶、苯胺染料和油漆颜料等工艺过程,都装备着各种型式的搅拌设备。
过去有很多文献论述了搅拌设备的动力消耗,并给处了不少情况下的计算公式,但是由于使用介质操作条件的不同,物理化学性能的差异,容器形状及内部设施的不同以及各种搅拌器特性上的区别,正确确定搅拌功率并适当地选择驱动电机是十分困难的。在没有模拟试验的情况下,设计新的搅拌设备时,常采用现有设备数据的方法,宁大勿小,结果造成了不少的浪费。国内有些单位对一些生产中的搅拌设备进行了功率测试,从测试的结果可以看到,由于功率消耗难于计算准确,电动机选用过大,造成了负荷率很低的不合理现象。
对于搅拌设备的研究,除功率问题外,有关搅拌的流体力学研究具有重要意义。这方面已做出了许多工作,但尚需扩大和深入。在液体中进行搅拌时,搅拌器的功能不仅引起液体的整个运动,而且要在液体中产生湍动,湍动程度与搅拌器使液体旋转而产生的漩涡现象有密切关系。这些漩涡因经常地互相撞击破裂,使液体受到剧烈的搅拌。由此可见在搅拌操作中,对于流体力学理论的研究是极其重要的。
近代化学工业中,流动的物料不再只是一些低粘度的牛顿型流体,许多高粘度流体也常常
遇到,尤其是各种各样的高分子溶液以及混有催化剂粒子的浆状流体等非牛顿型流体的应用日益广泛。它们与通常的牛顿型流体具有不同的流动特性,所以对于非牛顿型液体的研究是当今的一个重要课题。对高粘度液体,特别是非牛顿流体的搅拌传热研究,也是近年来的一个方向。聚合釜的传热特性与其中所用的搅拌器的形式关系甚大。对于各种常用搅拌器型式的搅拌设备之传热,前人给出了许多方程式,今年来在一些文章中也补充了有关搅拌设备的传热系数的推算公式。
关于搅拌器,除非遇有特殊的任务,需要特殊设计之外,现有的各种搅拌器,尤其常用的框式、平浆式、推进式和涡轮式等已足够应用。而且这些搅拌器已有相应的标准,所以对已有搅拌器性能的深刻了解,应予以更多的注意,以便使它们在使用中能够充分发挥作用。涡轮式搅拌器现在正被广泛使用,因为这种搅拌器在工业上适应性是很大的,它几乎能有效地完成所有的搅拌任务,并能处理那些特别是化学工业中经常遇到的各种粘度的物料。
搅拌设备的轴封多用填料密封和机械密封。一百多年前,初期的密封都是采用一些天然材料如皮革和侵油等作为轴封。以后油侵密封逐渐发展成为今天的软填料密封。由于石油化学工业的发展,易燃易爆物质比较多,对密封性能要求较严,1935~1945年间在英美等国均开始研究和应用机械密封,并得到较快发展。机械密封较填料密封有很多优点:①泄露量极少。机械密封的泄露量是填料密封的1﹪。②摩擦功率损失相当小。由于接触面的摩擦系数很小,因此,机械密封的功率损失约为填料密封的10~15﹪.③使用寿命长。一般质量好的机械密封可用2~5年,在正常工作条件下不需要维护调整。对轴的精度和光洁度的要求没有填料密封那样严格,耐振性能好。当轴摆动较大时,机械密封防腐蚀涂层时(喷、涂、衬、塘、包等),能克服填料密封将防腐层磨损或破坏的缺点。机械密封的缺点是结构复杂,装拆不便,对动环和静环的表面光洁及平直度要求高,不易加工,成本较高。但和优点相比只占次要地位。因而机械密封已日益的到广泛应用。
随着科学技术的发展,设备有大型化发展的趋势,也要求搅拌设备大型化。如国外聚合釜的容积已由最初的8~40㎡扩大到60~100㎡,最大的已达到140㎡.采用大型聚合釜可大大减少操作和检修人员,有利于自动化,减少投资,提高生产率,稳定产品质量。随着容积的大型化,釜型逐渐由细长型向矮胖型发展。而且采用底部搅拌的方式越来越多,多用三叶后晾式搅拌器。三叶后掠式搅拌器是目前大型聚合釜采用的一种较好搅拌器。因它排出量大,釜内液相循环充分,每分钟可达5~10次,能促进使釜内反应均匀一致。另外,经实践证明,此种桨叶必须配合挡板使用,来提高剪切功能,才能更好地发挥作用。
搅拌也可以在管路中进行,采用在管路中安装装置的办法对气-液系和液-液系进行混合。例如采用喷射式泵对水及醋酸进行混合。在石油精制中,也采用使液体流过设置在管路中的锐孔板或挡板,以便使两种液体进行接触。还有在管道中放入搅拌器的,即所谓管道搅拌。
管道搅拌设备能连续输送一切流体,也有输送含有固体的流动化的半流动体。此种搅拌形式,相当于搅拌设备的简体部分,容积较小,液体在此停留时间极短(数十秒)的情况比较多。在其内部为了充分进行混合分散或传热等需要极强的搅拌。由于管道搅拌设备空间很小,装置小,可使搅拌力均匀作用,可减少过剩的搅拌,所以对整个液体可减少功率消耗。对于连续化、自动化,特别是对成本有严格要求的,要求特别小的形状和高性能时,使用管道搅拌设备是很有效的。正因为管道搅拌设备有这些优点,所以在石油精制、石油化工、化学纤维、食品等工业和水处理技术中广泛被液-液混合、浓度调整、液-液萃取、油脂乳化、液-液稀释溶解、固-液溶解、液-液和气-液反应等场合。
管道搅拌设备的种类,按混合壳体不同大体分为直管型、角型和偏心角型等。最简单的型式是直管型,它容易制造,压力损失低,清扫方便。但停滞时间分布大,也就是说存在短路比较多,准确度低的问题。对此有所改进的是交错型。角型因介质出入方向不同,特别是截面积变大,能诱起液体的旋转,搅拌力容易均匀作用,但因简体轴线和搅拌轴轴线同心的情况比较多,容易引起离心作用。
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